抗干扰单像素成像边缘检测方法及系统

技术领域

本发明涉及边缘检测技术领域，具体涉及一种抗干扰单像素成像边缘检测方法及系统。

背景技术

传统的边缘检测技术是先对物体进行拍摄成像，然后根据成像后的图像进行边缘检测。已提出的基于单像素成像的边缘检测技术，所使用的调制图案大多灰度基图案，调制图案是灰度的，在使用DMD高速调制模式时必须将灰度的调制图案二值化，而二值化带来误差，会严重影响边缘检测的信噪比。

在传统的数字图像处理领域，图像的边缘检测是先成像后进行边缘检测，因此边缘检测的质量受图像本身成像质量的限制。现有的基于单像素成像的边缘检测技术需要大量的调制图案对物体进行边缘检测，边缘检测的时间较长。目前现有的利用单像素进行边缘检测的方法通常信噪比较低，难以满足边缘检测的实际要求。

发明内容

本发明提出的一种抗干扰单像素成像边缘检测方法及系统，可至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种抗干扰单像素成像边缘检测方法，包括以下步骤，

在边缘敏感单像素成像中，ESI调制模式是通过对P

其中

(x，y)和(u，v)分别是空间域和哈达码域的坐标，H

由公式(1)生成的一系列的调制图案Q

H(u,v)＝B

其中B

在边缘敏感单像素成像中，SESI调制模式只需要通过对P

其中

对H(u,v)执行哈达码逆变换便可直接获取物体的边缘；公式(5)中频谱平均值可以抵消环境光的影响，使该方法具有较强的抗环境干扰的能力。

再一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明的关键是将哈达码基图案与二阶微分算子的卷积结果，即哈达码基图案的边缘作为调制图案，并用于直接提取未知物体的边缘，而无需任何先验成像。其中ESI方案是一种差分式的边缘敏感的单像素成像边缘检测方案，可以有效的抑制噪声并消除静态光干扰，这是传统成像方式无法做到的。SESI方案是一种单步式的边缘检测方案，虽然是非差分式的，但仍然能消除静态光干扰，并且与已有的基于单像素成像的边缘检测方法相比，使得边缘检测所需要的调制图案至少减少了一半。

与传统的数字图像处理方式相比，而本发明提出的边缘检测技术可以直接对物体进行边缘检测，无需事先成像，因此不受物体成像质量的限制。当存在环境光干扰时，传统的先成像后进行边缘检测的结果会受到强烈的影响；而本发明提出的直接边缘检测方法因为将边缘检测提前编写进入了编码图案，而编码图案只对物体进行调制，而不会对干扰光进行调制，因而环境光的干扰不会对直接边缘检测的结果造成显著影响。

与现有的基于单像素成像的边缘检测技术相比，本发明提出的边缘检测技术中的SESI方案可以实现单步边缘检测，使边缘检测需要的调制图案至少减少了一半，大大提高了边缘检测的速度；另外本发明提出的边缘检测技术能够高质量的提取物体的边缘，且所需的调制图案是二值化的，不会因调制图案二值化而引入误差，影响边缘检测的质量。

附图说明

图1是本发明实施例的原理示意图；

图2是本发明实施例的实验装置示意图；

图3是本发明实施例的仿真结果图；

图4是本发明实施例的实验结果示意图；

图5是本发明实施例在严重光干扰下的实验场景图，其中，5(a)是光干扰下的实验场景图，5(b)是传统相机成像结果图；

图6是本发明实施例光干扰下的实验结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示是本实施例所述的单像素成像边缘检测方法原理示意图，由于传统的单像素成像通过投影相应的调制基图案来获得目标图像，并使用单像素检测器采样的光强通过逆变换或压缩感知恢复方法重建目标图像，如图1(a)所示，是使用的哈达码基图案。为了获得图像的边缘，传统的图像处理方法是将边缘检测算法应用于图像，因此边缘检测的质量在很大程度上取决于图像的质量。为了解决这个问题，本发明精心设计了一系列边缘敏感单像素成像编码调制图案，以直接提取未知物体的边缘，而无需事先获取物体的任何先验图像。通过将哈达码基图案与二阶微分算子卷积来设计边缘敏感的调制图案。如图1(b)和(c)所示，通过分别将拉普拉斯算子(Laplacian)或LoG算子与哈达码基图案卷积，设计了两种类型的边缘敏感调制图案。本发明可以通过投影一系列边缘敏感的调制图案来获得物体边缘的哈达码谱，并通过哈达码逆变换直接获得物体的边缘图像，无需先验成像。

以下具体说明：

本发明提出的边缘检测技术包含两个方案：差分式的边缘敏感的单像素成像方案(ESI)和单步式的边缘敏感的单像素成像方案(SESI)。

方案一：差分式的边缘敏感的单像素成像方案(ESI)

在边缘敏感单像素成像中，ESI调制模式是通过对P

其中

(x，y)和(u，v)分别是空间域和哈达码域的坐标，H

由公式(1)生成的一系列的调制图案Q

H(u,v)＝B

其中B

方案二：单步式的边缘敏感的单像素成像方案(SESI)

在边缘敏感单像素成像中，SESI调制模式只需要通过对P

其中

对H(u,v)执行哈达码逆变换便可直接获取物体的边缘。SESI只需要ESI一半的调制模式，使得边缘检测的时间减少一半。

本发明的边缘检测系统的装置如图2所示。对于ESI方案，DMD生成由公式(1)设计的一系列的调制图案Q

图3显示了本发明提出的边缘检测方案的仿真结果，当使用拉普拉斯算子和LoG算子作为卷积核时，对于ESI方案分别被称为LESI和GESI。对于SESI，它们分别被称为LSESI和GSESI。在仿真中基于上采样和Floyd-Steinberg误差扩散抖动对调制模式进行二值化。二值化后的调制模式允许我们利用DMD提供的高速调制模式，这有利于减少边缘检测时间。从仿真结果来看，二值化并未对本发明提出的边缘检测方案的结果造成影响。

图4显示了本发明提出的边缘检测方案的实验结果，我们直接对物体进行边缘检测，而无需进行任何先验成像，并且具有较高的信噪比。

图5(a)显示了本发明提出的边缘检测方案在严重光干扰下的实验场景图，其中激光器产生光点并照射到物体上，以模拟严重的环境光干扰。传统的边缘检测方法是通过相机获取对象图像，然后执行边缘检测。然而，相机在获取物体图像时不可避免地受到环境光的干扰，如图5(b)所示。

图6显示了本发明提出的边缘检测方案在严重光干扰下的实验结果和传统边缘检测结果。其中传统边缘检测结果首先通过相机获得物体图像，然后由LoG边缘检测算法提取边缘。LESI、GESI、LSESI和GSESI是通过本发明提出的方法直接获得的图像边缘。从图6显示的结果可以看出，传统的边缘检测算法无法消除光干扰，会检测出因光干扰造成的非物体边缘的假边缘。而本文提出的边缘检测方法，无论是差分式的ESI边缘检测方案还是单步式的SESI边缘检测方案，均可以消除光干扰的影响，准确的检测出物体真实边缘。

同时，本实施例所述的卷积的单像素成像基图案可以是Hadamard、Fourier和Wavelet等基图案；所使用的卷积算子也可以是一阶微分算子，比如Roberts、Prewitt、和sobel边缘检测算子或其他算子。投影设备可以使用投影仪，LCD，DMD等多种空间光调制器来代替进行投影图案的调制；光电探测器可以使用光电池，光电二极管等对光强信息产生响应的光电器件代替。本发明的边缘检测系统装置可以采用被动式的结构成像方式。

综上所述，本发明提出的边缘检测技术无需对物体进行任何事先成像，可以直接对物体进行边缘检测。本发明通过专门设计一系列边缘敏感的调制图案用于直接提取未知物体的边缘。调制图案是通过将二阶微分算子卷积哈达码基图案获得的。本发明提出的边缘检测技术所设计的调制图案是二值的，能很好的适配DMD的高速调制模式，从而可以快速直接地检测未知物体的边缘，并且具有较高的噪声鲁棒性。

而本发明提出的边缘检测技术可以直接对物体进行边缘检测，无需事先成像，因此不受物体成像质量的限制。此外本发明提出的边缘检测技术中的ESI方案是一种差分式的检测方案，可以有效的抑制噪声和消除环境中的光干扰，而传统的图像处理方式难以做到。

本发明提出的边缘检测技术中的SESI方案可以实现单步边缘检测，使边缘检测需要的调制图案至少减少了一半，大大提高了边缘检测的速度；

本发明提出的边缘检测技术能够高质量的提取物体的边缘，且所需的调制图案是二值化的，不会因调制图案二值化而引入误差，影响边缘检测的质量。

本发明的单像素成像边缘检测方法，在不对物体进行任何拍摄成像的情况下，可以直接提取物体的边缘。本发明提出的差分式的边缘敏感的单像素成像(ESI)技术可以有效的抑制噪声，大幅提高边缘检测的信噪比。此外，在ESI的基础上开发了一种单步边缘敏感的单像素成像(SESI)方法，该方法相比于其他的基于单像素成像的边缘检测方法，将检测时间缩短了一半。另外，本发明提出的边缘检测技术使用的调制图案是二值的，几乎不受调制图案量化误差的影响。因此，当使用数字微镜设备(DMD)的高速调制模式进行快速、高质量的边缘检测时，本发明提出的边缘检测方案具有明显的优势。

又一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。

再一方面，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。

在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一方法的步骤。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。